Применение трансимпедансных усилителей

23 апреля 2008

Введение

Передаточная функция трансимпедансного операционного усилителя (ТИОУ) представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока и имеет размерность сопротивления. К ТИОУ относятся ОУ с токовой обратной связью. Когда к входу ОУ с обратной связью по напряжению подключен источник тока, например фотодиод (в обратную связь в этом случае включает резистор с большим сопротивлением), ОУ также можно считать ТИОУ. Для стабилизации схемы параллельно этому резистору ставится конденсатор достаточно большой емкости. В статье рассматривается расчет конденсатора для получения наибольшей полосы пропускания с сохранением устойчивости схемы.

Основные расчетные соотношения

На рисунке 1 показана полная схема ТИОУ, используемого для усиления тока фотодиода VD. В большинстве случаев для смещения Vсмещ используется шина питания +V.

 

Схема включения ТИОУ

 

Рис. 1. Схема включения ТИОУ

На эквивалентной схеме (см. рис. 2) фотодиод представлен в виде источника тока IPK и паразитных емкостей.

 

Эквивалентная схема фотодиода. CJ - емкость обедненной области диода; IPH - ток диода

 

Рис. 2. Эквивалентная схема фотодиода. CJ — емкость обедненной области диода; IPH — ток диода

Эта схема удобна для нахождения передаточной характеристики ТИОУ. Примем, что усилитель идеален, поэтому на инвертирующем входе виртуальный ноль. Емкости ССМ и СJ не влияют на передаточную функцию, поэтому мы их не учитываем. Таким образом, выражение для передаточной характеристики имеет следующий вид:

   (1)

отсюда

   (2)

Таким образом, появляется полюс на частоте fp = 1/2pRFCF, который стабилизирует схему (этот эффект будет рассмотрен позже). Для нахождения коэффициента передачи ОС обозначим: СIN = CJ + CCM. Таким образом получаем простую дифференцирующую схему с заземленной входной емкостью СIN. Коэффициент передачи сигнала ОС характеризует величину напряжения, которое передается с выхода ОУ на вход.

После некоторых упрощений получаем окончательное выражение для коэффициента обратной связи F:

   (3)

Таким образом, коэффициент F для ТИОУ выражается так же, как и для дифференцирующей цепочки. Разница заключается только в добавлении емкости CIN, которая представляет собой сумму емкости фотодиода и входной емкости усилителя. Заметим, что для низких частот F = 1. Коэффициент усиления с ОУ обратной связью ОУ равен 1/F. Для устойчивости в схему добавляют стабилизирующий конденсатор CF. Однако включение дополнительной емкости уменьшает полосу пропускания, поэтому следует искать компромисс.

На рисунке 3 показаны частотные зависимости коэффициента усиления А без обратной связи и коэффициента усиления 1/F с ОС при оптимальном значении CF.

 

Амплитудно-частотные характеристики ТИОУ с разомкнутой и замкнутой ОС

 

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики ТИОУ с разомкнутой и замкнутой ОС

Полюс 1/F находится на графике А, другими словами, значение CF оптимально при A = 1/F или АF = 1. В отсутствие CF 1/F = 0, что вызывает сдвиг фаз почти на 180° в точке пересечения графиков А и 1/F.Появление полюса на частоте fp обеспечивает компенсацию с опережением или запаздыванием, при этом фазовый сдвиг в точке пересечения составляет 135°, таким образом, запас по фазе составит 45°. При недостаточной компенсации усилителя точка пересечения будет лежать выше второго полюса ТИОУ.

Из выражения для F найдем значение полюса 1/F:

   (4)

Частота, до которой 1/F = 0, выражается следующим образом:

   (5)

При частоте fz наклон графика 1/F меняется с 0 дБ на +20 дБ. Для стабильности работы усилителя наклон снова должен стать равным нулю. Это достигается как раз на втором полюсе, обусловленным конденсатором CF.

На рисунке 3 пунктиром изображен случай перекомпенсации, когда величина CF слишком большая. В этом случае полюс сдвигается на более низкую частоту. Более того, влияние слагаемого СIN в знаменателе выражения (5) уменьшается, поэтому частота fz также уменьшается. Перекомпенсацию следует применять тогда, когда усилитель недостаточно компенсирован и точка пересечения графиков А и 1/F находится рядом со вторым полюсом характеристики А.

Коэффициент усиления без ОС находится из простого соотношения:

   , (6)

где fGBW — частота единичного усиления.

Учитывая, что AF = 1, опуская промежуточные преобразования и упрощая полученные выражения, в конечном итоге получаем выражение:

   (7)

Это уравнение довольно сложно решить относительно CF. Для большинства случаев справедливо допущение CIN; CF. Принимая его, получаем окончательное выражение для CF:

   (8)

Это формула для нахождения оптимальной величины емкости CF. Если CF требуется слишком большая и вызывает звон в схеме, то следует использовать перекомпенсацию. Однако перекомпенсация уменьшит полосу пропускания ТИОУ

Практический пример

Рассмотрим схему (см. рис. 4) на операционном усилителе LMV793 фирмы National Semiconductor.

 

Практическая схема реализации ТИОУ

 

Рис. 4. Практическая схема реализации ТИОУ

Это средний по быстродействию усилитель с недостаточной компенсацией, полосой пропускания 88 МГц и входной емкостью 15 пФ. В качестве датчика выбран фотодиод PIN-HR040 фирмы OSI Optoelectronics с полосой пропускания 300 МГц, чтобы он не ограничивал полосу пропускания усилителя. Емкость фотодиода 7 пФ. В качестве источника света используются лазерные диоды с короткими фронтами и срезами (5 нс). Сопротивление в цепи обратной связи RF = 100 кОм для получения большого коэффициент усиления.

Развязывающие конденсаторы источников питания не показаны, однако следует учитывать, что на каждой шине питания установлен танталовый конденсатор емкостью 6,8 мкФ для фильтрации низких частот и керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ для фильтрации высоких частот. Керамический конденсатор следует размещать как можно ближе к выводам питания операционного усилителя.

Емкость фотодиода CJ= 7 пФ, входная емкость усилителя СCM= 15 пФ, значит, суммарная входная емкость составляет СIN 22 пФ. Используя выражение (8), получаем СF= 0,53 пФ. Это очень маленькое значение. В схему включен конденсатор с номинальной емкостью 0,5 пФ, однако его измеренное значение оказалось 0,64 пФ, таким образом, ТИОУ немного перекомпенсирован. Полосу пропускания можно найти исходя из постоянной времени RFCF или по временам фронта. В первом случае получаем 2,5 МГц, а во втором 3,2 МГц. Наличие выброса говорит о том, что запаса по фазе 45° не хватает. Выходная реакция усилителя показана на рисунке 5а и 5б.

 

Выходной сигнал ТИОУ при RF = 100 кОм

 

Рис. 5. Выходной сигнал ТИОУ при RF = 100 кОм

Теперь рассмотрим ТИОУ с маленьким коэффициентом усиления. Для этого в схему на рисунке 4 включим RF= 10 кОм, при этом коэффициент усиления уменьшится в 10 раз, а полоса пропускания расширится. Однако излучение светодиода теперь должен быть в десять раз ярче для получения того же уровня выходного сигнала. Расчетное значение стабилизирующей емкости CF = 1,7 пФ, а номинальная емкость конденсатора в схеме равна 1,8 пФ. При данных параметрах полюс располагается на частоте 8,8 МГц, а коэффициент усиления с ОС 1/F = 10, это минимально допустимый коэффициент усиления для стабильной работы LMV793.

Таким образом, все условия стабильности работы двухполюсной схемы выполнены, однако при испытаниях в лаборатории выявляется довольно сильный звон схемы. Это могло быть вызвано наличием дополнительных полюсов и нулей, близко расположенных ко второму полюсу. Потребовалась перекомпенсация схемы. Примем CF = 2,7 пФ. На рисунке 6 показана выходная реакция ТИОУ при RF = 10 кОм CF = 2,7 пФ. Времена фронта и среза для данной схемы равны приблизительно 33 нс, отсюда полоса пропускания составляет 10,6 МГц. Полюс располагается на частоте 5,9 МГц. Выходной сигнал ТИОУ для этого случая показан на рисунке 6.

 

Выходной сигнал ТИОУ при RF = 10 кОм

 

Рис. 6. Выходной сигнал ТИОУ при RF = 10 кОм

Заключение

Устойчивость ТИОУ рассчитывается так же, как и для дифференциального усилителя. Единственная разница между ними заключается в использовании фотодиода в качестве источника входного тока. Фотодиод не влияет на расчет стабильности, его емкость учитывается во входной емкости усилителя.

В лаборатории были протестированы две схемы с разными коэффициентами усиления. Результаты экспериментов сходятся с теоретическими. Выражение (8) для СF применимо для всех видов дифференциальных усилителей, более того, несмотря на различие передаточных характеристик ТИОУ и дифференциального усилителя, выражения для коэффициента передачи сигнала ОС в расчете стабильности обоих усилителей совпадают.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: theory.vesti@compel.ru  

LPC3200 — новое семейство 32-разрядных микроконтроллеров

NXP Semiconductors объявила о расширении линейки своей продукции на базе архитектур ARM7TM и ARM9TM, представив семейство микроконтроллеров LPC3200. Микроконтроллеры NXP семейства LPC3200 построены на основе популярного процессора ARM926EJTM и предназначены для использования в бытовых, промышленных, медицинских и автомобильных устройствах. В семейство LPC3200 входят LPC3220, LPC3230, LPC3240 и LPC3250.

Семейство разработано по 90-нм производственному процессу на основе высокопроизводительного ядра ARM926EJ, содержит векторный блок вычислений с плавающей запятой (Vector Floating Point, VFP), контроллер ЖК-монитора, Ethernet MAC, On-The-Go USB, эффективную матрицу шины и поддерживает широкий диапазон стандартных периферийных устройств.

Микроконтроллеры семейства LPC3000 разработаны для обеспечения гибкости в применениях, требующих быстрой и одновременной передачи данных и сочетают в себе высокую производительность, низкое энергопотребление и поддержку большого количества периферийных устройств. В этих устройствах реализованы интерфейсы I2C, I2S, SPI, SSP, UART, USB, OTG, SD, PWM, A/D для сенсорных экранов, имеется адаптер 10/100 Ethernet MAC и 24-разрядный контроллер ЖК-монитора с поддержкой панелей STN и TFT. Семейство поддерживает модули памяти DDR, SDR, SRAM, а также флэш-память. Возможна загрузка с устройств флэш-памяти NAND, памяти SPI, UART или SRAM.

Поставка опытных образцов микроконтроллеров NXP семейства LPC3200 начнется в апреле 2008 года, начало массовых поставок планируется на третий квартал 2008 года.

•••

Наши информационные каналы

О компании National Semiconductor (от Texas Instruments)

National Semiconductor была основана в 1959 году, в год создания первой интегральной схемы. В 1966 году National Semiconductor переместил штаб-квартиру компании на небольшой участок земли в Санта Кларе, штат Калифорния - место это позже стало известным как "Силиконовая долина". Известный для нас как производитель мирового класса, гарант надежности и лидер инновационных технологий, National Semiconductor имеет за последние 50 лет множество наград "Лидер промышленности". Наиболее распространенн ...читать далее